FPGA增強(qiáng)了數(shù)碼相冊(cè)功能

隨著我們不斷以像素為單位捕獲生活快照，我們正在積累一系列軟件工具和設(shè)備來(lái)查看，編輯，存儲(chǔ)，個(gè)性化和共享我們的數(shù)碼照片。一個(gè)能夠可靠地提供所有這些功能的單一、易于使用的系統(tǒng)將簡(jiǎn)化和增強(qiáng)照片制作過(guò)程。

來(lái)自北京交通大學(xué)信息科學(xué)研究所的一名學(xué)生設(shè)計(jì)工程團(tuán)隊(duì)使用基于FPGA的可編程片上系統(tǒng)（SOPC）解決方案創(chuàng)建了一個(gè)便攜式多功能數(shù)碼相冊(cè)。雖然傳統(tǒng)的數(shù)碼相冊(cè)主要能夠存儲(chǔ)和顯示圖像，但這種動(dòng)態(tài)原型還允許用戶直接即時(shí)編輯和個(gè)性化數(shù)碼照片，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將圖像傳輸?shù)剿麄兊募彝セ蜣k公室PC。

這張專輯的基礎(chǔ)技術(shù)包括一個(gè)高度集成的系統(tǒng)，其中包括FPGA中的嵌入式處理器。SOPC設(shè)計(jì)集成了圖像處理功能，壓縮，解壓縮，傳輸和接收。自上而下的 SOPC 設(shè)計(jì)流程（圖 1）幫助團(tuán)隊(duì)大大縮短了設(shè)計(jì)周期。

圖 1：采用自上而下的嵌入式處理器開發(fā)流程的可編程片上系統(tǒng)（SOPC）設(shè)計(jì)可以提供靈活性并加快上市時(shí)間。

靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用SOPC生成器，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)Avalon總線集成了應(yīng)用程序的所有功能模塊。集成工具使團(tuán)隊(duì)能夠快速構(gòu)建一個(gè)結(jié)合了軟件和硬件組件的穩(wěn)定系統(tǒng)。該開發(fā)平臺(tái)由 Altera DE2 開發(fā)和教育多媒體板組成，該板帶有旋風(fēng) II FPGA 和 Nios II 嵌入式處理器。

該團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了設(shè)計(jì)，以降低功耗，同時(shí)使用更少的設(shè)計(jì)資源。該團(tuán)隊(duì)使用 Nios II 嵌入式處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用自定義指令和外設(shè)來(lái)加速系統(tǒng)操作，從而增強(qiáng)了性能。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還整合了適應(yīng)未來(lái)增強(qiáng)功能和功能擴(kuò)展的能力。例如，通過(guò)集成的通信接口，相冊(cè)可以將個(gè)性化的數(shù)字圖像發(fā)送到手機(jī)。

無(wú)需 PC 即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的處理能力

數(shù)碼相冊(cè)具有以下功能：

數(shù)碼照片存儲(chǔ)

利用開發(fā)板上的安全數(shù)字（SD）卡接口，該團(tuán)隊(duì)將數(shù)據(jù)、需求和地址線從SD卡加載到Avalon總線，使嵌入式處理器能夠控制SD卡數(shù)據(jù)的讀取和寫入。

數(shù)碼照片查看和回放

使用MicroC/FS嵌入式文件系統(tǒng)，相冊(cè)可以通知嵌入式處理器附加存儲(chǔ)介質(zhì)中可用的照片文件，因此用戶可以隨時(shí)查看其圖像。

特殊音樂(lè)效果

此功能使用壓縮的 G.729 代碼流作為音樂(lè)格式，并使用嵌入式實(shí)驗(yàn)室解碼算法來(lái)播放選定的曲調(diào)。

照片格式壓縮和解壓縮

該團(tuán)隊(duì)將JPEG解碼器模塊集成到嵌入式處理器中，使用解碼后的RGB數(shù)據(jù)進(jìn)行所有處理，并將照片壓縮為JPEG格式以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。

數(shù)碼照片網(wǎng)絡(luò)傳輸

該存儲(chǔ)驅(qū)將網(wǎng)絡(luò)接收的 JPEG 代碼流傳輸?shù)?FPGA 進(jìn)行處理。之后，相冊(cè)通過(guò)FPGA將處理后的照片數(shù)據(jù)壓縮為JPEG代碼流，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸這些流，允許用戶共享圖像。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)功能的電路板，該電路板通過(guò)通用I/O引腳與FPGA連接（見(jiàn)圖3）。

圖 3：數(shù)碼相冊(cè)的硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)連接，以實(shí)現(xiàn)照片共享。

用戶界面

通過(guò)為開發(fā)板配備PS/2接口，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⑹髽?biāo)和鍵盤功能加載到Avalon總線上，并修改板載電路，使嵌入式處理器能夠響應(yīng)PS/2外設(shè)。

數(shù)字照片和音頻文件管理、照片編輯和處理以及水印嵌入和提取

嵌入式平臺(tái)提供了支持提供這些功能的軟件所需的處理資源。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

相冊(cè)應(yīng)用程序由以下模塊組成：

· SD 卡文件系統(tǒng)

· 鍵盤輸入

· 音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器

· 網(wǎng)絡(luò)控制器

· 液晶控制器

· 顯卡顯示器

· J 形編解碼器

· 圖像處理

· 音頻解碼

出于系統(tǒng)兼容性目的，設(shè)計(jì)人員使用SD卡作為照片和音樂(lè)的主要存儲(chǔ)介質(zhì)。為了獲得更快的讀/寫性能，在開發(fā)平臺(tái)上將單行SD卡讀取設(shè)置修改為四行模式。

鍵盤和鼠標(biāo)模塊使用相同的協(xié)議。在每個(gè)周期中，數(shù)據(jù)線傳輸一些數(shù)據(jù)，時(shí)鐘線傳輸讀取的脈沖。這使設(shè)備能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)，反之亦然。

盡管原型使用LCD顯示器，但設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建了一個(gè)具有水平和垂直時(shí)間序列的VGA接口。SRAM存儲(chǔ)器用作圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，顯示解壓縮和處理后的圖像。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

MicroC/OS-II 嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式處理器上運(yùn)行，為數(shù)碼相冊(cè)應(yīng)用提供軟件平臺(tái)。操作系統(tǒng)調(diào)度功能任務(wù)，作為集成多種功能的穩(wěn)定平臺(tái)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇將 MicroC/OS-II 用于此應(yīng)用，因?yàn)樗哂行省?shí)時(shí)性能、小尺寸和可擴(kuò)展性。

JPEG 編解碼器模塊轉(zhuǎn)換圖像格式。對(duì)于編碼，系統(tǒng)：

· 讀取位圖文件并將圖形信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)中

· 轉(zhuǎn)換顏色模型

· 將數(shù)據(jù)劃分為 8x8 塊

· 對(duì)每個(gè) 8x8 數(shù)據(jù)塊執(zhí)行離散余弦變換 （DCT） 逆變換、逆量化和解碼

· 利用讀取信息生成解碼所需的所有表

· 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為 JPEG 文件

對(duì)于解碼，系統(tǒng)：

· 讀取 JPEG 文件并將圖形信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)中

· 利用讀取信息生成解碼所需的所有表

· 將數(shù)據(jù)劃分為 8x8 塊

· 對(duì)每個(gè) 8x8 數(shù)據(jù)塊執(zhí)行 DCT 逆變換、逆量化和解碼

· 轉(zhuǎn)換顏色模型

· 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為位圖文件

通過(guò)這些過(guò)程，數(shù)字相冊(cè)補(bǔ)充了數(shù)碼相機(jī)，允許用戶直接和實(shí)時(shí)地查看和編輯存儲(chǔ)在相機(jī)中的照片。

隨時(shí)隨地編輯和共享

基于SOPC的設(shè)計(jì)方法為團(tuán)隊(duì)提供了極大的靈活性，并使系統(tǒng)集成能夠縮短設(shè)計(jì)周期。使用多功能數(shù)碼相冊(cè)，攝影師擁有一個(gè)方便的系統(tǒng)，可以從幾乎任何位置輕松快速地處理他們的圖像。

審核編輯：郭婷